Effects of Near-Fault and Far-Fault Ground Motions on Pile Sections of Integral Abutment Bridges Considering Soil Liquefaction

Quando il terreno trema durante un terremoto, il suolo sotto i nostri piedi può talvolta perdere la sua forza e trasformarsi in una densa miscela fluida simile a un fango. Questo fenomeno, noto come liquefazione, è una minaccia silenziosa per le fondamenta dei ponti. A differenza del terreno solido che tiene ferma una struttura, il suolo liquefatto offre poca resistenza, permettendo ai pali — le colonne profonde che ancorano un ponte — di affondare, inclinarsi o spezzarsi sotto il peso sovrastante. Questo è particolarmente pericoloso per un tipo specifico di ponte chiamato ponte ad abutment integrale. Queste strutture sono costruite come un telaio singolo e continuo senza i giunti di dilatazione presenti nei ponti più vecchi, il che permette loro di muoversi più naturalmente con i cambiamenti di temperatura. Tuttavia, questo design senza interruzioni significa che l'impalcato del ponte è collegato rigidamente ai pali, trasferendo ogni singola parte dell'energia sismica direttamente alla fondazione. Se il suolo si liqueffa, il ponte perde la sua presa e i pali devono assorbire tutta la forza della scossa senza rompersi.

La sfida che gli ingegneri devono affrontare non è solo come costruire questi ponti, ma come costruirli affinché sopravvivano a diversi tipi di terremoti. I terremoti non sono tutti uguali; alcuni avvengono vicino alla linea di faglia, inviando impulsi di energia potenti e improvvisi che possono cogliere le strutture impreparate, mentre altri avvengono lontano, trasmettendo una scossa più lunga e ondulatoria. I ricercatori volevano sapere come la scelta del materiale e della forma del palo influenzi la sopravvivenza di un ponte quando il suolo diventa liquido sotto entrambi i tipi di scossa. Per trovare la risposta, un team di ingegneri di università cinesi e afghane ha creato una simulazione computerizzata dettagliata di un ponte a campata singola. Hanno modellato il ponte poggiato su sei diversi tipi di pali: cilindri di cemento grandi e piccoli, tubi d'acciaio, travi d'acciaio orientate in diverse direzioni e un design ibrido in cui il cemento viene versato all'interno di un tubo d'acciaio. Hanno poi sottoposto i ponti virtuali a dieci movimenti sismici registrati, metà provenienti da eventi vicino alla faglia e metà da eventi lontani dalla faglia, simulando al contempo il suolo che diventa fluido.

I risultati hanno rivelato che la scelta migliore per un palo dipende fortemente dal tipo di terremoto e dal materiale utilizzato. Quando il terreno trema con gli impulsi violenti e improvvisi di un terremoto vicino alla faglia, i rigidi pali di cemento, specialmente quelli più grandi, tendono a piegarsi e creparsi più dei modelli in acciaio. Il cemento, essendo rigido, non riesce ad assorbire bene il colpo improvviso, portando a uno stress maggiore nella struttura. Al contrario, quando la scossa proviene da una fonte distante, i pali d'acciaio sperimentano un movimento e uno stress maggiori rispetto a quelli di cemento. Ciò suggerisce che la naturale flessibilità dell'acciaio, che di solito aiuta a sopravvivere, può talvolta giocare contro di esso durante le onde più lente e ondulatorie di un sisma lontano. Tuttavia, un design si è distinto come il più resiliente in assoluto: il tubo d'acciaio riempito di cemento. Questo palo ibrido combina la forza del cemento con la flessibilità dell'acciaio, permettendogli di gestire lo stress di entrambi i tipi di terremoto con una costanza notevole.

Lo studio ha anche esaminato quanto si muove il ponte stesso. Le simulazioni hanno mostrato che i ponti supportati da tubi d'acciaio riempiti di cemento si sono mossi meno rispetto a quelli su pali di puro acciaio, e il movimento è stato quasi identico sia per i terremoti vicini che per quelli lontani. Questa stabilità è cruciale perché un movimento eccessivo può danneggiare la superficie stradale o i collegamenti con l'autostrada. I ricercatori hanno scoperto che, sebbene i pali d'acciaio fossero forti, erano più soggetti al buckling — un tipo di collasso strutturale in cui la colonna si piega fuori forma — specialmente quando il suolo perdeva la sua presa. I tubi riempiti di cemento, al contrario, sono riusciti a piegarsi e allungarsi senza cedere, dissipando efficacemente l'energia del terremoto.

Per gli ingegneri che progettano ponti in aree soggette a liquefazione, questi risultati offrono una strada chiara da seguire. Lo studio suggerisce che l'uso di tubi d'acciaio riempiti di cemento è l'opzione più affidabile per i ponti ad abutment integrale, poiché forniscono un equilibrio tra forza e flessibilità che protegge la struttura sia dagli shock improvvisi a corto raggio che dalle scosse ondulatorie distanti. Se devono essere usate travi d'acciaio, la ricerca indica che le aree ad alto stress dove il palo incontra il suolo necessitano di un rinforzo extra per prevenire il cedimento. Scegliendo il giusto materiale per la fondazione, gli ingegneri possono garantire che, anche quando il terreno sottostante diventa liquido, il ponte sopra di esso rimanga in piedi.